9.4. 内存耗尽处理与new_handler机制

本书至此(包括本章)我们一直强调：当operator new()和operator new[]()分配内存失败时，通常会抛出std::bad_alloc异常。这种说法在大多数情况下成立，但有个微妙细节我们尚未讨论 —— 现在需要重点解析。

设想这样一种场景：用户代码定制了内存分配函数，从预分配的数据结构中获取内存块以获得特定性能优势。假设该数据结构初始仅分配少量内存块，当初始块耗尽时才扩展容量。此时，存在两种状态：

乐观状态：快速分配初始预留块
二次机会状态：初始块耗尽后尝试扩展分配

为实现无感知的策略切换(无需用户代码显式干预)，直接抛出std::bad_alloc并不理想。虽然抛出异常会终止operator new()执行，使用端代码也可捕获异常处理，但在此场景中，更希望分配失败触发特定操作后，允许分配函数在更新状态后重试。

C++通过std::new_handler处理此类场景，该类型是函数指针void(*)()的别名。其核心机制如下：

全局处理机制:程序中存在全局std::new_handler，默认值为nullptr
handler管理接口:std::set_new_handler()设置当前handler(返回被替换的旧handler),std::get_new_handler()获取当前handler
分配失败处理流程：当operator new()等分配函数失败时：
- 获取当前std::new_handler
- 若为nullptr → 抛出std::bad_alloc(默认行为)
- 若非空 → 调用该handler并重试分配(handler可能已更新内存状态)

标准库已实现这套算法，但截至目前，我们自定义的operator new()和operator new[]()重载尚未包含该逻辑。为演示如何利用std::new_handler，实现一个模拟的“两阶段分配”场景。

这个示例性实现将：

为类型X重载成员版本的分配操作符
初始设定仅支持分配limit个X对象(实际工程中需真实管理内存，第10章将展示完整案例)
std::new_handler会：
- 触发时，将limit提升至更大数值
- 重置当前handler为nullptr，使后续分配失败时抛出std::bad_alloc

#include <new>
#include <vector>
#include <iostream>

struct X {
  // 简单示例，非线程安全
  static inline int limit = 5;

  void* operator new(std::size_t n) {
    std::cout << "X::operator new() called with "
              << limit << " blocks left\n";

    while (limit <= 0) {
      if (auto hdl = std::get_new_handler(); hdl)
        hdl();
      else
        throw std::bad_alloc{};
    }

    --limit;
    return ::operator new(n);
  }

  void operator delete(void* p) {
    std::cout << "X::operator delete()\n";
    ::operator delete(p);
  }
  // 数组版本的 new/delete 同理
};

int main() {
  std::set_new_handler([]() noexcept {
    std::cout << "allocation failure, "
                "fetching more memory\n";

    X::limit = 10;
    std::set_new_handler(nullptr); // 将 handler 重置为默认
  });

  std::vector<X*> v;
  v.reserve(100);

  try {
    for (int i = 0; i != 10; ++i)
      v.emplace_back(new X);
  } catch(...) {
    // 由于 new_handler 的存在，此异常处理块在此程序中永远不会执行
    std::cerr << "out of memory\n";
  }

  for (auto p : v) delete p;
}

X::operator new()处理失败的方式：当发现无法满足后置条件时，会获取当前std::new_handler —— 若非空则调用该handler后重试分配。

所以，handler调用时：

成功路径:修改内存状态使后续分配可能成功(如：扩展内存池/释放闲置内存)
失败路径:将handler重置为nullptr以触发std::bad_alloc

违反这些规则会导致无限循环(伴随灾难性后果)。示例中main()安装的handler行为如下：

调用时提升X::limit数值(模拟“二次机会”资源扩展)
立即通过std::set_new_handler(nullptr)禁用后续重试
若二次机会资源仍不足，则触发异常终止(工程术语称为“toast”状态)

lambda可以作为new_handler吗？

虽然我们将std::new_handler描述为void(*)()函数指针的别名，但在示例中却安装了一个lambda表达式。这之所以可行，是因为无状态lambda(即捕获列表为空的lambda)能隐式转换为具有相同调用签名的函数指针。这一特性在多种场景中非常实用，例如：

编写需要与C代码交互的C++程序
调用操作系统原生API接口
适配传统回调函数机制

接下来我们将进入本章最具技术深度的部分 —— 探讨如何运用C++处理非常规内存。

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